陳翠平

摘 要：在焦耳熱功當(dāng)量的實(shí)驗(yàn)中，讓重物緩慢下落帶動(dòng)固定在轉(zhuǎn)軸上的葉片旋轉(zhuǎn)，葉片攪動(dòng)水通過摩擦力對(duì)水做功，從而使水的溫度升高。焦耳的實(shí)驗(yàn)理論上講很容易理解，實(shí)際操作該實(shí)驗(yàn)卻很困難。如果采用料理機(jī)的攪拌模式，直接讓電機(jī)帶動(dòng)葉片攪動(dòng)水做功，不僅可以達(dá)到相同的效果，同時(shí)還更便于操作和控制變量。

關(guān)鍵詞：料理機(jī) ;演示;摩擦力做功

在高中物理選修3-3第十章第一節(jié)內(nèi)容《功和內(nèi)能》中，焦耳的第一個(gè)代表性實(shí)驗(yàn)如下：將水裝在絕熱容器內(nèi)，讓兩端的重物緩慢下落帶動(dòng)固定在轉(zhuǎn)軸上的葉片旋轉(zhuǎn)，葉片攪動(dòng)水通過摩擦力對(duì)水做功從而使水的溫度升高。多次實(shí)驗(yàn)測(cè)量表明：盡管重物的質(zhì)量，下落高度，次數(shù)不同，但只要在重物下落過程中對(duì)水做功相同，水的溫度升高量就相同，即系統(tǒng)的熱力學(xué)狀態(tài)變化相同。焦耳的這個(gè)實(shí)驗(yàn)原理很簡(jiǎn)單，從能量的角度來講就是重物緩慢下落過程中，減少的重力勢(shì)能通過摩擦力做功的方式轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)增加的內(nèi)能。但實(shí)際操作中有兩點(diǎn)實(shí)現(xiàn)起來很困難：

第一點(diǎn)：要恰好讓重物緩慢下落很困難。每次必須保證重物重力在轉(zhuǎn)軸上的力矩恰好等于水的摩擦力給葉片的力矩才能保證重物是緩慢或者勻速下落的。在實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐過程中，如果去調(diào)節(jié)這兩個(gè)力的力矩恰好相等操作很困難，需要多次試驗(yàn)才能確定重物是否勻速下落。

第二點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)過程很困難。理論數(shù)據(jù)來講，如果讓總質(zhì)量為26.320kg的重物，每次下落160.5cm，連續(xù)下落20次，才能使1kg的水溫度升高1.971℃。像這樣大型的實(shí)驗(yàn)如果要作為演示實(shí)驗(yàn)，在教室里課堂上現(xiàn)場(chǎng)完成演示過程幾乎不可能。

如果想要在課程中完成演示過程就需要尋找替代實(shí)驗(yàn)。隨著科技的不斷發(fā)展，現(xiàn)在的料理機(jī)功能很齊全。但所有的功能根據(jù)是否加熱可以分為兩大類：一類是只葉片攪拌不加熱，如“冰沙”、“果汁”等模式;另一類是葉片攪拌并加熱，如“豆?jié){”、“米糊”等模式。如果我們選取不具加熱功能的“冰沙” 模式，只讓葉片來攪拌水做功便可以模擬焦耳的這個(gè)實(shí)驗(yàn)，由原始實(shí)驗(yàn)中讓重物下落帶動(dòng)葉片攪動(dòng)水做功替換為讓電機(jī)來帶動(dòng)葉片攪動(dòng)水做功，共同點(diǎn)都是葉片攪動(dòng)水通過摩擦力對(duì)水做功從而使水的溫度升高。

筆者選用的是GUGE品牌的家用料理機(jī)，該料理機(jī)“冰沙”模式下每個(gè)攪拌周期均為90s。實(shí)驗(yàn)過程中，筆者讓料理機(jī)采用“冰沙”模式，連續(xù)攪拌4個(gè)工作周期，300ml水的溫測(cè)量依次顯示如下圖所示：

水的初始溫度為26.0℃，一個(gè)攪拌周期后溫度升高為30.1℃，兩個(gè)攪拌周期后溫度升高為34.1℃，三個(gè)攪拌周期后溫度升高為38.4℃，四個(gè)攪拌周期后溫度升高為42.4℃。

不管“冰沙”模式下電機(jī)帶動(dòng)葉片如何轉(zhuǎn)動(dòng)，但完全相同的模式下料理機(jī)默認(rèn)轉(zhuǎn)動(dòng)方式是完全相同的。如果令葉片在一個(gè)完整的周期內(nèi)攪動(dòng)水做的總功為W0，那么完全相同的兩個(gè)周期葉片攪動(dòng)水做的總功必然為2W0，以此類推，三個(gè)周期，四個(gè)周期做的總功必然為3W0，4W0。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示：第一次做功W0時(shí)，水的溫度升高了4.1℃;第二次做功W0時(shí)，水的溫度升高了4.0℃;第三次和第四次做相同的功時(shí)溫度升高量分別為4.3℃和4.0℃。可見，只要每次對(duì)300ml水這一系統(tǒng)做相同的功W0，水系統(tǒng)的溫度升高量在誤差允許范圍內(nèi)是相等的。由此我們可以得出跟焦耳實(shí)驗(yàn)同樣的結(jié)論：對(duì)熱力學(xué)系統(tǒng)做相同的機(jī)械功，系統(tǒng)溫度升高量相同，即系統(tǒng)熱力學(xué)狀態(tài)變化相同。

采用料理機(jī)攪拌模式來演示替代原始實(shí)驗(yàn)后有兩大優(yōu)勢(shì)：

第一方面：讓料理機(jī)的電機(jī)帶動(dòng)葉片攪動(dòng)水做功，完全的電子化。不用人為不斷去調(diào)節(jié)力矩平衡的問題，現(xiàn)在只需要打開電源、調(diào)節(jié)到“冰沙”模式、開始啟動(dòng)電機(jī)工作就可以了，這使得本實(shí)驗(yàn)的可操作性明顯增強(qiáng)的同時(shí)實(shí)驗(yàn)難度也大大降低。

第二方面：由于可操作性增強(qiáng)，可以在課堂上實(shí)際演示，學(xué)生可以通過實(shí)際的觀察溫度計(jì)示數(shù)的變化，真切的體驗(yàn)到如果對(duì)系統(tǒng)做機(jī)械功，系統(tǒng)的狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化;做相同的機(jī)械功W0，系統(tǒng)的狀態(tài)變化量相同。同時(shí)給學(xué)生以情感態(tài)度價(jià)值的引導(dǎo)：平時(shí)生活中應(yīng)該善于思考和利用身邊常見的事物來服務(wù)于我們的學(xué)習(xí)和研究，就地取材方便又實(shí)用。

綜上所訴，在課堂中完全可以利用家用料理機(jī)的“冰沙模式”攪拌水做功，來替代完成焦耳的代表性實(shí)驗(yàn)，這樣既給我們的教學(xué)帶來了科學(xué)性，也給學(xué)生的學(xué)習(xí)帶來了樂趣性。

參考文獻(xiàn)：

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[3] GUGE品牌多功能家用料理機(jī)使用說明書.